对简易氢氧燃料电池实验的商榷及重制

《对简易氢氧燃料电池实验的商榷及重制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、对简易氢氧燃料电池实验的商榷及重制摘要：对现行简易氢氧燃料电池实验提出疑问，并结合实验数据与专业文献对其反应行为释义，借助对现代电池技术的考察重新制作了简易实验装置，并就此分析其认知功能和实验功能。关键词：氢氧燃料电池；电池电压；碳棒电极；实验设计；实验功能文章编号：1005令C66295令C0056+C04中图分类号:G633.8文献标识码：B1问题提出氢氧燃料电池是一类极具发展和应用前景的能源技术，苏教版《化学2》及《实验化学》两个模块中都安排了相似的简易实验：通过灼烧后骤冷的方法使碳棒表面

2、崩解从而增加电极表面积，先以3〜6V直流电源电解0.5mol•L-1Na2SO4溶液至电极上出现明显气泡，随后切换到放电电路并以发光二极管的点亮来证明吸附在电极表面的氢气与氧气发生了电化学反应［1］。该实验装置简单、操作简便、现象明显，在使用其他版本教材的地区也广受欢迎，包括笔者在内的不少教师还对其进行了后续改进，试图通过增大气体贮存量以获得更好的放电效果、加装液面指示管以表明气体的消耗［2］。但近期笔者发现此实验有一个根本性问题需要重新审视一一放电时的电流真是由氢气和氧气反应产生的吗？2对电池

3、电压的分析众所周知，可逆电池的电动势遵守热力学规则，无论是碱性氢氧燃料电池：但因极化现象的存在，电池的工作电压必定小于其标准电动势，譬如在供气压力几倍于大气压的条件下工作的碱性氢氧燃料电池，其令出电压一般也仅为0.6〜1.0V［3］。3对电化学行为的解释3.1双电层型电化学电容电化学电容器也称超级电容器，其中的双电层型电化学电容器的典型电极材料正是高比表面积的炭材料。在充电时，固体电极与电解质溶液接触的界面电荷会重新分布排列，作为补偿，带电的正、负电极就会分别吸引电解液中的阴、阳离子，从而在电极

4、表面形成紧密的双电层，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板，能量即以电荷的形式存储于界面双电层中［6］。在简易实验中，水的实际分解电压因极化的存在而在1.7V左右［7］，如分别以0.75V、IV、1.5V的电压通电0.5min,断开电源后可测得开路电压约为0.5V、0.7V、0.9V,这与电化学电容器的工作情形比较接近。不过电容器的工作电压需小于电解质溶液的分解电压，在充电电压大于分解电压的电池中主要还是发生法拉第过程，双电层电容虽然同样存在，但充入电荷量仅占总体的2%〜5%［8］，所以这

5、还并非实验中的主要电化学变化。3.2碳棒电极本身的电化学反应在中学的传统认识中，石墨在常温下的水溶液中属于惰性电极，其本身绝不发生电子的得失。但事实上并非如此，由于石墨单晶的表面存在剩余的“化合价”、“悬挂键”，绝大部分暴露在空气中的碳含有吸附氧，其中大部分为化学吸附，这些氧能够导致如羟基、酮、醌、过氧基等表面官能团的存在，这些基团的氧化和还原将构成电化学反应，在过充电和过放电时，能够发生额外的含氧官能团的产生或电化学加氢作用；并且，石墨电极在充电时能够伴有一定程度的嵌入过程，电解液中的部分物质

6、可进入石墨层状结构的夹层空间，这也会改变其充放电性能［9］。是以在电化学角度上，常温下碳的氧化只能说是严格受限，但远不是绝对的惰性。碳材料一般是由煤、木材或聚合物加热炭化得到，但生产时往往并未达到完全的石墨化，不同条件下制得的材料会因表面官能团、粒径、孔径等结构差异而具备不同性能。在简易实验中，对电极的不同处理也会导致不同的放电效果：有文献报道了经较长时间灼烧的电极反而只能维持更短时间的放电［10］;笔者也对经灼烧骤冷处理的碳棒电极和未经此处理的电极进行了实验对比，前者的放电电压要比后者低0.2

7、V左右，此结果应该缘于灼烧使表面基团离解，电化学反应因此而被削弱；笔者曾通过用活性炭粉包裹碳棒的方法获得了更大的放电量［11］，现在想来其原因可能也并非在于吸附了更多的气体，而是活性炭粉提供了更多的具有电化学活性的基团。另外，笔者还对比了不同电解电压下的反应情形：对于未经灼烧处理的电极，电解电压为3V时只能以很慢的速率产生气体，放电时的开路电压勉强达到1.7V;电解电压为4V时能较快地产生气体，放电电压可以短暂地达到2V;此后继续增大电解电压则放电电压也会随之小幅升高，电解电压为9V时放电电压可

8、达2.5V;经灼烧骤冷处理的电极也有相似趋势，只是放电电压会有少许降低。这些现象可以较顺利地通过电极本身的电化学反应得到解释，在更高电解电压之下，电极表面官能团会被分别转化为更强的氧化态以及更强的还原态，放电时的电动势也就会有相应的增大。3.3液面变化的归因还有实验将反应容器封闭并设置毛细管以指示液面高度的变化［12］，那么在放电过程中观察到的液面下降是否就能确证气体发生了反应？笔者以为仅体积的微小变化还不能确凿地归因于气体的消耗，反而更有可能源于温度的升降：电解时会随电流的热效应而温度升高，放